基于单片机的软件校表功能的单相多费率电能表设计

传统的机械电能表，是通过磁力矩驱动铝盘，带计量器计量电量的。这种计量方式存在着寿命短、误差大、需定期调试，容易窃电，现场抄表等诸多缺陷，操作的可靠性亦得不到保证，而且给城市电网的建设、规划和分析带来了很大困难。为了解决上述问题，具有防窃电功能的，液晶显示的，带有红外通讯、485通讯的电子电能表逐渐被应用，而且将逐渐成为市场的主流。  

系统组成  

带软件校表功能的单向付费率表的系统结构如图 1 所示。实现原理为：电网的电流和电压信号通过分流器，被采样芯片采样过来，以脉冲(CF)的方式输出给单片机，单片机通过对电能高频脉冲CF的采集和分析，输出电能指示脉冲信号，供脉冲灯和校表用，吧并利用CF信号，计算出采集到的电量，送到LCD驱动，在LCD上显示，同时又写入EEPROM；EEPROM中除了保存电量信息外，还有表号等信息，这些信息可以通过红外和485通讯抄读和设置，也可以在LCD上显示。  


  
硬件设计  

硬件设计如图1所示，分为时钟供给模块、数据存储模块、脉冲采集模块、软件校表模块、掉电检测模块、红外输出模块、485通讯模块、电池电压检测模块、拉闸控制模块。主控芯片采用NEC单片机UPD78F0485，其基本特性如下：1.8"5.5V宽电压供电；内部集成PLL锁相环晶振电路，温漂极小；低功耗，副时钟工作的时候，功耗最低1uA；内部集成上电复位电路和低电压检测电路，方便做掉电数据存储；内部集成A/D，可以做电池电压检测；有沿触发外部中断，可以采集电量脉冲；内部集成了IIC电路和两个UART电路，方便2路通讯；并集成了2个16位定时器，2个8位定时器，通用I/O口众多。这些资源，都是UPD78F0485被用来设计电能表的重要原因。  


  
下面就电能表中的一些主要硬件电路的设计做一个简要的分析。  

1)485通讯电路设计：  

在电能表系统中，抄表系统在抄表的时候只有固定的集中方式：485、载波、红外。485作为成本低、运行可靠、抄表速度快等特点，现在是抄表用的最广泛的一种方式。图2即为485电路的基本结构。此电路通过光耦把单片机输出的信号，隔离输出到3085芯片，3085芯片再把此信号转变成差分信号送给总线。接受的信号也要通过光耦隔离送回单片机。此电路的特点是3085的RE和DE两个引脚由一根引线一起控制，节省了单片机的一个I/O口，这种接法是有条件的，即电能表上的通讯不是绝对的全双工。由于485电路的差分信号传输距离比较远，一般布线的环境也比较恶劣，所以485线路必须有压敏电阻进行高压保护，而且还要有TVS管，防止瞬态的高压干扰和遭受雷击。  [page]


  
2)红外通讯电结构：  

红外通讯电路在电表里使用非常广泛，是由于目前红外掌机抄表的方式还在很多地区使用。在这种市场需求的带动下，单片机有两路UART口来做通讯就变得必须了。如图3所示，在红外发射电路中，采用两个三极管叠加，其中TXD网络用来发送数据信号，38K网络用来发送载波信号，这样由于硬件电路的逻辑与作用使得LED3发送出我们预期的数据。这种电路只是红外发送电路的一种连接方式，也可以，采用一个三极管，在程序里面做TXD和38K的与运算。  

3)计量电路：  


  
图4：计量电路的结构  

计量电路有ADE7755作为采样芯片，通过分流器也就是图上的锰痛片采集电压电流，内部计算成有功功率，然后以脉冲(CF)的方式输出。单片机采集这个脉冲，计算电量。图下方的很多电阻构成了电表的精度调节电路。  

软件设计  

电表运行状态分为常状态和低功耗状态。程序中设置了一个空闲标志，掉电的时候空闲标志位被置为1，在主程序中不断的检测这个标志，当此标志置1的时候，进入睡眠状态，以减少功耗。  

软件功能的实现由各个子程序来完成，主要由红外通讯子程序、485通讯子程序、软件校表子程序、电量计算子程序、掉电处理子程序等构成。主程序流程图5所示。  


  
图5：主程序软件流程图  

此系统中，主要的程序集中在初始化、UART通讯和软件校表几个地方，这里予以简介。  [page]

1)初始化程序：  

NEC单片机UPD78F0485本身具有丰富的内部资源，可以大大的减少外围器件的数量，也就减少了故障发生的几率。需要初始化的地方主要有：内部RAM，选项字节，中断控制寄存器，串口控制寄存器，定时器控制寄存器，LVI电路控制寄存器，看门狗控制寄存器，IIC电路控制寄存器，液晶驱动控制寄存器等。  

2)UART收发程序：  

UART的收发是由单片机内部自带的串口模块来完成的，程序里我们只需要查询收发完成标志位，连续收发，检测出错标志位和纠错处理。大大的简化了程序的运行过程，也降低了程序时序的压力。  

3)软件校表的程序：  

软件校表的过程如下：我们对脉冲的采集，采集ADE7755输出的高频脉冲，1度电的高频脉冲输出个数为低频脉冲的整数倍，软件校表的过程就是通过串口通讯来调节1度电所对应的高频脉冲的个数，已达到计量准确的目的。  

通讯协议的设计  

规约格式：  


  
图6：字节格式  


  
图7：帧格式  

·字节传输格式：0(1位起始位)XXXXXXXX(8位数据位)1(1位结束位)，数据传输过程中允许每一个字节的空闲间隙为·通讯波特率：1200波特。  

·3到5个FEH作为同步头，一个16H结束字。  

·详细命令格式技术局返回格式请参照645规约(DL/T 645—1997)。  

·帧格式，如图7所示。  

通讯时，如果在限时内没有受到应答帧，则认为传输出错，重发先前的命令帧。重发最多3次，3次重发仍然无法受到应答帧时，则发出相应的故障提示信息。  

结束语  

有上述可以看出，基于NEC单片机UPD78F0485设计的付费率电表完全符合国家关于多费率电能表的标准GN/T15284-2002和多功能电能表的通讯规约DL/T645-1997的要求，并且具有功能合理，故障率低，外围器件少，计量精度高等特点，并且大大节省了硬件成本，增强了市场推广的可行性，另外，支持C语言的编译环境又为此款电表的实际开发缩短了开发周期。